论文---有源电力滤波器的设计.doc

2022年-2023年建筑工程管理行业文档 齐鲁斌创作 摘 要本文首先通过对电力系统中交流电压和交流电流的傅里叶分析，引出了谐波这一概念。通过分析谐波的相关概念和谐波的产生原因，举例分析了各种谐波源的产生过程，以及谐波对电力系统和用户的影响及危害，说明了抑制谐波的重要性。再通过阐述抑制谐波的各种措施，得出安装滤波器是减小谐波的有效措施。接下来就是本文的重点内容，即滤波器的工作原理，结构，控制方式。而不同类型的滤波器有不同的原理，结构也不一样，控制方式也是多种多样，但它们之间具有密不可分联系，本文进行了详细的分析。最后，文章阐述并联型有源电力滤波器的设计过程，包括其原理的分析，结构的构思，包含了主电路的设计，电流跟踪方式的选取和直流侧电压的的控制以及区别于其他类型滤波器的优缺点。还成功地用matlab软件构建了一个并联型有源电力滤波器，来模拟并联型有源电力滤波器减少电网谐波的实验，并对其进行波形进行了FFT处理和分析。通过仿真实验研究,结果证实了设计方案的正确性和可行性。关键词：谐波，并联型有源电力滤波器，脉宽调制，连接电抗器，傅里叶变换The Design of Active Power Filter ABSTRACTFirstly, AC current and AC voltage of the power system are analysised by Transformation of Fourier in this paper, then it comes up with a concept called harmonic. While analyzing the related concepts and causes of harmonic, it gives examples of the generation process of varieties of harmonic equipment and the impact and damage of harmonics to the power system and users, so it come to a conclusion that it is important to reduce harmonic of the power system. installing filter is an effective measure to reduce harmonic. The next is the focus of the content of this article, such as the working principle, structure and the control mode of filters which are different from each other, but there are lots links with each other, which is analysised detailly in the paper.Finally, a parallel active power filter is designed. Lots of contents are included in the paper, for example ,the structure of the conception, the design of main circuit, selection of tracking mode of current and controling of DC voltage. Advantages and disadvantages different from filters of other types are analysised too. It have successfully built a parallel active power filter and done a experiment of reducing harmonic of power system by the software of MATLAB. All waveshapes in the experiment are processed and analysised by FFT. By results of the simulation experiment, the validity and feasibility of the scheme of the design are proved greatly.Key words: harmonic shunt active power filter，pulse width modulation，linked reactor，transformation of Fourier 有源电力滤波器的设计 0213072770引言1917年美国和德国科学家分别发明了LC滤波器，次年导致了美国第一个多路复用系统的出现1。20世纪年代无源滤波器日趋成熟。自60年代起由于计算机技术，集成工艺和材料工业的发展，滤波器发展上了一个新台阶，并且朝着低功耗，高精度，小体积，多功能，稳定可靠和价廉方向努力，其中小体积，多功能，高精度，稳定可靠称为70年代以后的主攻方向2 。近年来，随着电力电子技术的广泛应用，电能得到了更加充分的利用。但电力电子装置自身所具有的非线性也使得电网的电压和电流发生畸变，这些高度非线性设备数量和额定容量的日益增大使得电力系统谐波污染问题日益严重，已成为了影响电能质量的公害，对电力系统的安全，经济运行造成了极大的影响，而另一方面供电方及其电力系统设备，用户及其用电器对电能质量的要求越来越高，这一矛盾使得人们对谐波污染问题越来越重视。据某日报报道，我国仅由电能质量问题造成的年电能损失就高达400多亿元，冶金，铁路，矿山等企业的谐波严重超标，因谐波问题导致的开关跳闸，大面积停电甚至电力系统解列等事故也屡见不鲜，因此对电力系统的谐波污染进行综合治理已成为摆在科技工作者面前的一个具有重要现实意义的研究课题5。而有源电力滤波器由于具有高度可控性和快速响应性，能对频率和幅值都变化的谐波进行补偿，因而受到广泛的重视，称为目前国内外供电系统谐波抑制研究的热点。我国广泛使用滤波器是50年代后期的事，当时主要用于话路滤波器和报路滤波。经过半个世纪的发展，我国滤波器在研制，生产和应用等方面已经纳入国际发展步伐，但由于缺少专门的研制机构，集成工艺和材料工业跟不上来，使得我国许多新型的滤波器的研制应用与国际发展有一段距离。1965年单片集成运算放大器问世后，为有源滤波器开辟了广阔的前景。70年代初期，有源电力滤波器发展引人注目，1978年单片RC有源电力滤波器的问世，问滤波器集成迈进了可喜的一步。由于运放的增益和向移均为频率的函数，这就限制了RC有源滤波器的频率范围，一般工作频率为20kHz左右，经过补偿后，工作频率也限制在100kHz以内10 。1979年产生了更高频的RC有源滤波器，使工作频率可达到GB/4。由于R的存在，给集成工艺造成困难，于是又出现了有源C滤波器，就是滤波器由电容和运放组成。这样容易集成，更重要的是提高了滤波器的精度，因为有源C滤波器的性能只取决与电容之比，与电容绝对值无关。但它有一个主要的问题，由于各支路元件均为电容，所以运放没有直流反馈通道，使稳定性成为难题。1982年由Geiger，Allen和Ngo提出用连续的开关电阻去代替有源RC滤波器的电阻R,就构成了SRC滤波器，它仍属于模拟滤波器。但由于采用预置电路和复杂的相位时钟，使这种滤波器发展前途不大。在近代电信设备和各类控制系统中，滤波器的应用很广泛，在所有的电子部件中，使用最多，技术最为复杂的要算滤波器了。滤波器的优劣直接决定产品的优劣，所以对滤波器的研究和生产历来为各国所重视，这导致RC有源滤波器，数字滤波器，开关电容滤波器和电荷转移器等各种滤波器的飞速发展，到70代后期，上述几种滤波器的单品集成已经被研制出来并得到广泛的应用。80年代致力于各类新型滤波器的研究，努力提高性能并逐渐扩大应用范围。90年代至现在主要致力于把各类滤波器应用于各类产品的开发和研制12 。当然，对滤波器本身的研究仍在不断进行。总之，由RC滤波器为原型的各类变种有源滤波器去掉了电感器，体积小，Q值达到1000法，克服了RLC无源滤波器的体积大，Q值小的特点20 。但它仍然有许多课题有待进一步研究，例如，理想运放与实际特性的偏差的研究。由于有源滤波器混合集成工艺的不断改进，单片集成有待进一步研究，应用线性变换法方法探索最少有源元件的滤波需要继续探索，元件的绝对值容差的存在，影响滤波器精度和性能等问题仍未解决。由于R存在，集成占芯片面积大，电阻误差大大，线性度差等缺点，使大规模集成仍然有困难。尽管有这么多问题，RC滤波器的理论和应用仍在持续发展中。现在，笔者根据在学校学到的电力电子技术，数字电路，模拟电路，单片机，计算机等知识写了这篇关于有源电力滤波器的论文。本文从分析谐波开始阐述，分析了谐波的产生细节，对谐波源进行了详细分析，然后设计了一种目前应用相当广泛的并联型有源电力滤波器，并且利用功能强大，广泛应用于教学科研的软件matlab软件，构建了一个模拟并联型有源电力滤波器滤除电网谐波的仿真程序，并对仿真结果进行了详细的分析和论证。希望对有源电力滤波器今后的推广和发展具有一定意义。1 谐波1.1 谐波的概念 电力系统中，理想的交流电压和交流电流的波形应该是标准的正弦波，即正弦波电压可表示为： （1.1） 式中 U 正弦波电压的有效值； 的角频率； 的初始相位角；当式（1.1）表示的正弦波电压加到无源线性元件电阻，电感和电容上时，所产生的电流与电压的关系分别为比例，积分和微分的关系，但其波形仍然是与电压同频率的正弦波。若正弦波电压加到非线性负载上时，由此产生的电流为非正弦波，该非正弦波电流在电网阻抗上产生非正弦的电压降。对于周期为的非正弦波电压，在满足荻里赫利条件时，可分解为如下的傅里叶级数： （1.2）式中（n=1,2,3,.）如果取则 此时（1.2）可以写成: （1.3）在式（1.2）和（1.3）中，频率为f的分量称为基波，频率为nf（n为大于1的整数）的分量为谐波，n称为谐波次数。通常用谐波的含有率来表示谐波分量对波形的影响。电压谐波电压的含有率HRUn定义为:（1.4） 式中 第n次谐波谐波电压的有效值； 基波电压的有效值；另外，还可用谐波总畸变率来表示分量对波形的影响。电压谐波的总畸变率THDu为： （1.5）上式中的称为谐波电压含有量，定义为: （1.6）同理可以定义第n次谐波电流的含有率，谐波电流的含有率和电流谐波的总畸变率，为: 根据以上的定义可以明确谐波的基本性质，即谐波频率为基波频率的整数倍。不同国家具有不同的基波频率，我国电力系统的基波频率是50赫兹；有些国家的基波频率为60赫兹。因此，2次谐波为100赫兹或120赫兹，3次谐波为150赫兹或180赫兹。在某些暂态现象中，电力系统会出现一些非整数的分数次谐波，如简谐波，次谐波和分数谐波等等，这些概念与谐波含义完全不同，在本文中不会详细讨论。5 谐波研究与治理对于现代工业生产意义重大，这是因为谐波不仅降低了电能的生产，传输和利用的效率，而且给供，用电设备的正常运行带来了严重的危险。对于电力系统谐波会放大系统局部并联谐振或串联谐振现象，使谐波含量放大，造成电容器等设备烧毁。谐波还会引起继电保护和自动装置误动作，使电能计量出现混乱。对于电气设备，谐波可以使电气设备产生振动和噪声，还可以产生过热现象，促使绝缘老化，缩短设备使用寿命，甚至发生故障或烧毁。谐波对通信设备和电子设备会产生严重干扰。电力系统产生的谐波与普通电话线路传输的音频信号及人耳的音频敏感信号相比，在信号频带上有一定的重叠性，而且两者功率相差悬殊。对于通信的干扰，也是谐波的主要危害之一。谐波污染是电力电子技术发展的重大障碍。电力电子技术是未来科学技术发展的重压支柱。有人预言，电力电子连同运动控制将和计算机一起成为21世纪最重要的两大技术7 。然而电力电子装置所产生的谐波污染已经成为阻碍电力电子技术发展的重大障碍，它迫使电力电子领域的研究人员必须对谐波问题进行更为有效的研究。谐波治理是“绿色电力”的要求。虽然目前还没有完全证实高次谐波对人，动物以及生态环境的影响，但已有迹象表明谐波对生态环境的影响还是确实存在，并引起了政府和各界人士的注意，开辟了一个新的研究领域，即电磁环境对生态的影响。目前对地球环境的保护已成为全人类的共识。从减少环境污染，维护绿色环境的角度出发，对电力系统这个环境来说，无谐波就是“绿色”的主要标志之一。因此谐波治理已经成为电气工程领域迫切需要解决的问题。1.2 谐波源的分析电力系统中的各种非线性元件是产生高次谐波的主要原因。按照非线性元件的类型，电力系统谐波源可以分为两大类。1.2.1 含有半导体非线性元件电力电子装置谐波源近年来，电力电子装置应用的日益广泛，但他们也是最严重，最突出的谐波源，是造成系统中谐波干扰的最主要因素8 。电力电子装置普遍采用非线性元件如二极管，晶闸管等，在一定条件下使负荷电流波形畸变，产生高次谐波。在各种电力电子装置中，整流装置所占的比例最大。整流电路是一种将交流电能转变为直流的变压器，由于电力系统是最经济便捷的供电方式，所以大多数电气和电子装置均采用由交流电网取得电能然后再转换为对用户而言最方便的电能形式，而其中通常采用一个直流储能环节作为两端变流器的接口，而作为前段变流器的交直交变换器就是整流器。按整流器件分，整流电路可分为可控整流和不可控整流两种。可控整流又可以分为全控整流电路和半控整流电路。在不控整流电路中，整流器件全由整流二极管组成；在全控整流电路中，整流器件全由晶闸管或其它可控整流器件组成；在半控整流电路中，整流器件则由整流二极管和晶闸管混合组成。按整流输出波形和输入波形的关系分，整流电路可分为半波整流和全波整流。半波整流电路中，整流器件的阴极或阳极全部连接到一起，接到负载的一端，而负载的另一端与电源的中点相连。半波整流电路中，负载上得到的只是电源电压波形的一半。全波整流电路可看成两组半波整流电路串联而成，一组接成共阴极，另一组接成共阳极，它们分别接到负载的两端9 。在全波整流电路中，不再需要交流电源的中点，每条交流电源线中的电流是交变的。通常全波整流电路也称为桥式整流电路。首先来看单相整流电路，单相桥式不控整流电路由二极管组成如图1.1所示：（a） 电路 （b）波形 图 1.1 单相桥式不控整流电路及波形单相桥式不控整流电路带阻感性负载，当电感非常大时，负载两端电压ud以及变压器二次侧电流i2的波形如图1.1（b）所示。其中ud的平均值为 （1.7）变压器二次侧电流有效值。根据傅里叶分析，Ud主要包含有2k次谐波电压成分，i2主要包含有次谐波电流成分，如图1.2所示。 图 1.2 单相不控整流电路频谱分析单相半控桥式整流电路由可控器件和二极管组成。图1.3所示为一种单相半控桥式整流电路及其波形。可以看出，其交流侧电流的波形显然只与触发延迟角有关。对于单相半控桥式电路其输出电压为:(a) 电路（b）波形图 1.3 一种单相半控桥式整流电路及其波形。 （1.8）采用傅里叶级数的分析方法对半控桥式整流电路交流侧电流的谐波进行分解。根据计算结果绘成的单相半控桥式电路谐波含量曲线，如图1.4所示。对单相半控桥式电路，由于其交流侧电流仍为半波对称，故仅含奇次谐波，如3，5，7等次谐波含量。图 1.4 单相半控桥式整流电路各次谐波含量曲线另一种单相半控桥式整流电路如图1.5所示，与图1.3（a）电路不同的是将桥一侧的上下两个桥臂换成二极管。无论哪种接法，两者的外特性是完全一样的。图 1.5 另一种单相半控桥式实际工程中，为了防止在接近180度时换相失败，常采用在直流侧并联续流二极管的方法，如图1.6所示:图 1.6 有续流二极管的单相半控桥式整流电路图1.7所示是单相桥式全控整流电路，图1.7给出了带阻感负载的全控整流电路。当负载电感值较大时。负载作用将产生一个完全滤波的电流，电源电流的波形是方波，如图1.7（b）所示，在这种情况下，平均负载电压为:（a）电路（b）波形 图1.7单相式全控整流电路 （1.9）当负载电流很好地滤波后，全桥可控整流器的输入电流时一个方波。另外，输入电流i2相对于输入电压移动了触发延迟角。 忽略换相重叠和电流脉动，基波和各次谐波的有效值为: （1.10）式中，n为谐波次数。输入电流的总谐波即便率THD为： （1.11）基波因数为: （1.12）而且从图1.7中可以看出，电流基波和电压的相差就是触发延迟角，因此基波功率因数是。所以，功率因数为: （1.13） 在大功率场合选用三相整流器。三相整流电路较单相整流电路的一个明显的优点是输出电压的脉动小。另外，低次谐波频率也比单相整流的高，所以用电感滤波效果好。三相及多相整流电路带感性负载时，如果负载电感很大，通常假设负载电流是连续的，且为一条水平直线。三相桥式不控整流电路。图1.8所示为三相桥式不控整流电路，电源变压器一次侧绕组为三角形连接，二次绕组为星形连接。VD1-VD6六只整流器件按其导通顺序一次排列。VD1，VD3，VD5三只器件构成共阴极的三相半波整流。VD2，VD4，VD6三只器件构成共阳极三相半波整流，L和R串联构成阻感负载。图1.8三相桥式不控整流电路在三相交流电源相电压最低的包络路线上，任何时候共阴极和共阳极各有一只器件在导通。所以整流输出电压波形为电源波形。如图1.9所示，对三相不控桥来说，输出波形一周期内有六个波峰。输出电压的最高值为线电压的幅值。采用傅里叶级数的分析方法对三相桥式不控整流电路负载电压和交流侧A相相电流进行频谱分析。根据计算结果，它们的频谱如图1.10所示:图1.9三相桥式不控整流波形（a）负载电压频谱（b）A相电流频谱图1.10三相桥式不控整流电路频谱现在分析三相半控整流电路。在图1.8所示的三相桥式不控整流电路的基础上，把共阴极的三只二极管更换为可控器件即可得到三相桥式半控整流电路，如图1.11所示: 图1.11三相桥式半控整流电路同单相类似，实际工程中也采用在直流侧再加一个续流二极管的三相半控桥式整流电路，以防止换相失败。其外特性与图1.11所示电路完全相同。显然，它们交流侧电流的波形，基波因数和各次谐波含量也是由触发延迟角决定的。采用傅里叶级数的分析方法对三相半控桥式整流电路交流侧电流的谐波进行分解。根据计算结果绘成的三相桥式电路各次谐波含量曲线，如图1.12所示。对三相半控桥式整流电路，其交流侧电流不再是半波对称，因此还含有偶次谐波，但因三相对称，故不含3倍次谐波，如2,4,5,7等次谐波含量。 图1.12三相半控桥式整流电路各次谐波含量曲线图1.13和图1.14给出的是三相桥式全控整流电路及其工作波形，采用傅里叶级数的分析方法对三相全控整流电路交流侧电流和负载电压进行频谱分解，如图1.15所示: 图1.13 直流侧有续流二极管的三相全控桥式整流电路。 图1.14 =30度时的三相全控整流电路波图1.15三相全控桥式整流电路频谱的分析根据1.15所示的结果，三相桥式全控整流电路在在交流输入侧产生6k+1次谐波的电流，而在直流侧产生6k次谐波电压。在交流侧，电流时正负半周的120度的方波，三相电流波形相同，依次相差120度，其有效值和直流侧电流的关系为：（a）交流侧电流频谱（b）负载电压频谱图1.15三相全控桥式整流电路频谱分析（1.14）电流基波和各次谐波的有效值分别为：（1.16），（1.17）基波因数为：（1.18）基波的功率因数还是。功率因数为：（1.19）以上结果显示，采用相控制方式的整流电路不仅会在输入侧产生大量的谐波电流，同时也会在输出侧产生大量的谐波。当然关于整流电路的类型有很多种，除了三相外，还有六相星形整流器电路等等，这些电路在理想条件下产生的都是特征波，然而实际上这些理想条件往往不能满足。由于各种各样的不对称，如三相电压不对称，负载不对称和三相触发脉冲不对称等等，整流电路的交流侧除了产生特征谐波为还会产生非特征波。三相电压不对称，或负载不对称时，直流侧的电流将含有2次谐波，而交流侧的电流将含有相当大的3次谐波。当触发脉冲不对称时，交流侧电流将包含直流分量，基波分量及全部奇次和偶此谐波分量。特别是，如果同一相两个晶闸管的触发延迟角不相等时，则改相电流中含有直流分量。直流分量的存在将会引起整流变压器的饱和，从而引起新的谐波。1.2.2 含有电弧和铁磁非线性设备的谐波源这一类设备主要有旋转电机，电弧炉，交流电焊机及日光灯等。说到旋转电机，其可以分为发电机和电动机两大类。它们是电力系统中应用十分广泛的电力设备。发电机是公用电网的电源，以发电机为例，在理想情况下，当发电机励磁绕组通以直流电流时，定子绕组中将感应出正弦电势，发电机输出电压波形为正弦波11 。而在实际应用的电机中，由于磁极不平衡，绕组不平衡以及铁芯饱和等原因，磁极磁场并非完全按照正弦规律分布，因此感应电势不是理想的正弦波，包含一定的谐波，这种谐波电势的频率和幅值取决于发电机的结构和工作情况。在进行发电机设计时，通常会采取削弱谐波电势的措施保证输出电压的谐波含量较低。根据国际电工委员会规定，发电机的端电压波形再任何瞬间与其基波波形之差不得大于基波幅值的5%。而变压器之类的设别主要有电力变压器，铁芯电抗器等。变压器广泛存在于各级电网中，用以联系不同电压等级的电网，其容量远大于系统的最大负荷。但是由于铁芯的非线性，必然造成励磁电流波形畸变并产生高次谐波。对于三相变压器而言，铁芯结构，变压器接线方式都对励磁电流的畸变有很大影响。若变压器有一侧采用三角形接线，则3k次谐波电流只在回路中流通，不留入公用电网，而流入电网的只是6k+1次谐波12 。若变压器没有三角形接线，这时由于磁化曲线的非线性就会在磁通中产生3k次谐波，使磁通变为平顶波。在三柱变压器中磁动势里各相的3K次谐波是同相位的，因此这些谐波磁通的路径必须是空气，油和变压器外壳构成的回路。二者路径磁阻很大，使3k次谐波的磁通仅为独立铁芯时10%左右7 。因此磁通和电动势仍接近正弦波。电弧炉利用其电极和炉料之间产生的电弧的热量冶炼金属，是钢铁产业的重要设备。其谐波频率分布范围主要在0.1到30赫兹之间。电弧炉冶炼过程分为两个阶段，即熔化期和精炼期。在不同的工作状况下谐波电流情况变化很大。在熔化期，相当多的炉内填料尚未熔化而呈块状固体，电弧阻抗极不稳定。这种不稳定的短路状态使得熔化期的电流波形变化极快，实际上，没半个工频周期的波形都不相同。在熔化期以及熔化的不稳定阶段，电流波形不规律，故谐波含量大，主要是第2,3,4,5,6,7次谐波电流。据西北研究院对某工业的电炉的实测，第2,3,4,5次谐波电流含有率常达5%甚至以上，严重时可达到20%以上13 。随着炉膛中熔化的钢水液面的不断上升，电弧液就越来越稳定。在精炼器件由于电弧特性较稳定，谐波电流较小。电弧实际上运行情况十分复杂，随机性很强，目前文献中对电弧炉产生谐波的原理分析都比较简单。表1.1给出了不同资料所具有的电弧炉引起的谐波电流，表1.2为电弧电流谐波含有率。从数据上看2次，3次，5次谐波最为严重。 表.1 电弧炉引起的平均谐波电流谐波次数资料资料表1.2 电弧炉电流谐波含有率谐波次数熔化期谐波含有率精炼期谐波含有率 2 谐波的危害在20世纪70年代以前，由于电力电子设备还未发展到广泛的应用，谐波造成的危害，未受到足够的重视。随着电力电子技术的高速发展和电力电子设备的普及，使谐波对电网的污染日趋严重，从而引起人们对谐波危害的高度关注。谐波造成的危害可以归纳为以下几个方面。2.1 谐波对电网的污染 理想的电网所提供的电压应该是频率单一固定，电压幅值在允许的范围内。谐波对电网波形的污染使电网供电质量恶化，使同一电网造成很大危害，有相当部分是由于电网供电质量恶化造成的。2.2 谐波引发各种电力电子设备出现故障谐波使系统中的元件产生附加的谐波损耗，除降低了发电，输配电和其他用电设备的效率以外，在三相四线制的电路中，由于大量的零序谐波电流，特别是3次谐波电流流过中线，会引起中线过热，有引起火灾的危险。另外，异常的过大的中线电流的增加，会导致电网中线对地线的电压突增，将危及数据处理系统的安全。谐波对于旋转电动机来说，除了增加损耗和引起发热以外，还会产生机械振动，噪声和谐波过电压，这对电动机的寿命造成严重的影响15 。谐波电流流入变压器，会增加变压器的铜损和铁损，引起变压器的发热。谐波还会是变压器的噪声增大。谐波电流流经电力电缆，令电缆发生过热，长期的过热运行将导致电缆的绝缘老化，甚至产生漏电和短路现象。2.3 谐波引起谐振为了补偿无功功率和滤除谐波，常常需要并联电容器，或者设置电容器和电感器组成的滤波器。由于谐波频率高于工频频率，会使系统的感抗增加而容抗减小，有可能产生LC谐振。谐振放大了谐振电流，使电容器或电感器烧毁。日本的资料表明，由于谐波引起谐振造成损坏的电气设备中，电容器的损坏占40%，电感器的损坏占30%16 。2.4 谐波造成继电器误动作，并影响电力测量电力系统中的谐波将会使某些继电器和漏电保护开关产生误动作。谐波对电压表，电流表和功率表等计量仪表的测量结果带来直接影响，特别是与收费有关的计量仪表的计量误差与人民的生活有着密切的关系。2.5 谐波对IT设备的危害在计算机房中，大量使用PC，服务器，交换机等整流滤波型非线性负载，他们向电网注入零序电流，使电网受到污染。反过来，电网的低功率因数会影响IT设别的正常运行。2.6 谐波干扰通信系统电力系统传输功率可达MW级，二通行系统的功率小到mW级，两者如此大的功率级差，导致电力系统中相对小的不平衡音频谐波分量，一旦耦合到通信线路上，可能在通信系统中产生很大的噪声。若在同一电网中存在多个重点接地，当有较大的零序谐波电流流过时，会严重干扰同一电网中的通信系统。噪声将降低童话的清晰度，甚至引起信号的丢失。统计资料表明，25次以上的谐波分量达到一定的幅值，就会对通信系统产生干扰，特别是与电力系统耦合精密和对谐波干扰敏感的通信系统，在谐波的干扰下，极易产生工作失常。为了减小谐波的危害，对谐波电压和谐波电流允许值提出了要求24 。具体见附录中国际标准的公用电网谐波电压限值和谐波电流允许值。3 谐波的抑制谐波的抑制为专家和工程技术人员提出了一个重要的课题。一般来说，抑制谐波可以从两个方面入手，一是减少谐波的产生，二是安装谐波补偿装置。电力电子装置是电力系统中最重要的谐波源，而在电力电子装置中，整流器又占最大的比例。所以，可将整流器视为最主要的谐波源。减少谐波就是要是整流器不产生谐波，并且功率因素达到11。这种整流器称为高功率因素整流器。目前，高功率因素整流器多半采用PWM整流技术。其中之一是LC调谐滤波器，它结构简单，既可以补偿谐波，又可以补偿无功功率。是一种应用广泛的谐波补偿装置。LC滤波器的作用是滤除高次谐波。一般情况下，单调谐波滤波器用于滤除某个奇次谐波，若要滤除几个奇次谐波，则要相应地用几个单调谐滤波器的并联，如果要滤除偶次谐波，则要采用偶此谐波滤波器，对于幅值较小的高次谐波，可以采用高通滤波器将其一并滤除。其缺点是只能对某一个固定频率的谐波进行补偿，若要对多次谐波进行补偿时，必须采用多个LC调谐滤波器，其结构变得相当复杂。另外，LC调谐滤波器的补偿特性受电网阻抗的影响较大，极易与系统发生谐振，导致谐波电流放大，造成LC调谐滤波器被烧毁。LC滤波器通常又称为无源滤波器。提高短路容量比也是一种方法，短路电容比的定义为交流电网的短路容量与电网一侧基波分量视在功率之比，即:（3.1）在整流器的设计和实际应用中应尽量选取较高的值。表3.1给出了推荐的最小短路容量比值。表中列出的适用于低压系统，对于中压系统，为本表数值的三倍，对于高压系统，为本表数值的2倍。表.1最小短路容量比畸变率=滤波装置的每个滤波器都是独立进行设计的，在各个滤波器完成独立设计后，必须考虑滤波器之间的相互影响。此时，需要第滤波器加于修正，在修正设计每个滤波器时，将所有滤波器的系统谐波阻抗综合在一起作为总的系统谐波阻抗。，在确定滤波装置的结构时，应事先知道谐波源的谐波次数。 第二种滤波装置是有源电力滤波器，也是本文要重点介绍的滤波装置，它由VMOS,IGBT等开关器件组成的，采取PWM控制方式的谐波电流发生器，它可以产生幅值，相位和频率均可变的谐波电流，用以抵消电网中相应的谐波电流。另外，还可以用来补偿电网的无功功率。有源电力滤波器的优点是补偿特性不受电网阻抗的影响，并且对谐波分量实现跟踪补偿，在电力系统中被广泛使用。223.1 有源电力滤波器的工作原理有源电力滤波器的结构原理如图3.1所示。图中U和Z分别为市电网电压和负载，有源电力滤波器有电流检测电路和PWM-主电路组成。电流检测电路的作用是检测负载电流中的谐波分量和无功电流分量，主电路为双向功率传输的逆变电路，PWM为逆变电路的控制电路，PWM-主电路的作用是对负载电流中的谐波分量和无功电流分量进行补偿。 图3.1 有源电力滤波器的结构原理图市电电网电流由有负载电流和补偿电流两部分组成，即（3.2）由于跟踪指令信号,所以=，那么（3.3）由于是检测电路 从负载电流中检测出的谐波电流分量和无功电流分量之和，即 （3.4）由于，是基波分量。所以，由此可知，有源电力滤波器抑制了谐波分量和对无功电流分量进行了补偿。根据逆变器在直流所用的储能元件的不同，有源电力滤波器可以分为两种类型，储能元件为电容器时，为电压型有源电力滤波器。他的优点是效率高，是常采用的一种形式。储能元件为电感器时，为电流型有源电力滤波器。由于储能电感器中有电流流过，会产生较大的损耗，效率较低。3.2 有源电力滤波器的主电路一般情况下，电力系统的容量都比较大，单相逆变电路满足不了要求，这就要求采用三相逆变器或叠加逆变器。3.2.1 三相逆变器有源电力滤波器多用于三相电力系统中。在供电系统中，多采用三相三线制有源电力滤波器。而在配电系统中，多采用三相四线制有源电力滤波器。有源电力滤波器氛围电压型和电流型两种。电压型有源电力滤波器主电路如图3.2所示。它采用电压型PWM逆变器，其直流侧并有大容量电容器，逆变器正常工作时电容器上的电压基本保持不变，可以视为电压源。电流型有源电力滤波器的主电路原理图如图3.3所示，它采用电流型PWM逆变器，其直流侧串有大电感量的电感器，逆变器正常工作时，流经电感器的电流基本保持不变，可以视为电流源。由于电感器中始终有电流流过，产生较大的损耗，效率较低，从而影响了电流型有源电力滤波器的推广使用。但是电流型有源电力滤波器与电压型有源电力滤波器相比，也有优点，如电流控制能力较强，滤除开关谐波的效率高，工作稳定性高等。本文中考虑到滤波器的实用性和使用的广泛度，设计的是电压型有源电力滤波器。设计的思路和仿真分析将在下文详细说明。 图 3.2 电压型有源电力滤波器主电路的电路原理图 图 3.3 电流型有源电力滤波器主电路的原理图3.2.2 叠加逆变器在大容量的有源电力滤波器中，一个三相逆变器满足不了大容量的要求，可采用叠加主电路的方法来扩容8。叠加主电路使系统的等效开关频率提高，相当于降低了单个开关的开关频率。开关管开关频率降低，会减小开关损耗，提高逆变效率。叠加主电路有三种方式，首先是串联电抗器叠加主电路，如图3.4所示，它是通过串联电抗器将几个三相逆变器并联在市电电网上。这种主电路叠加方式比较简单，容易实现，应用广泛。 图3.4串电抗器叠加主电路的框图其次是平衡电抗器叠加主电路，如图3.5所示，它是通过平衡电抗器将各个三相逆变器并联，再经过电抗器与市电电网连接。当三相逆变器的开关频率较低时，在三相逆变器之间会产生较大环流，接入平衡电抗器可以抑制环流。所以电抗器叠加主电路方式多用于开关频率较低的场合。图3.5平衡电抗器叠加主电路的框图3.2.3 注入电路除利用叠加主电路来提高有源电力滤波器的容